(57)【要約】  水素原子が通過可能な孔（隙間）９を多数備えた多孔質体７と、前記孔を含む前記多孔質体７の表面を覆う水素吸蔵合金とを備え、前記水素吸蔵合金は、水素を吸蔵する材料で形成された水素吸蔵ベースと、該水素吸蔵ベースの表面を覆う触媒層とを有する。多孔質体７は、ナノファイバに水素吸蔵合金を蒸着させた水素吸蔵繊維８の集合体である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素分子が通過可能な孔を多数備えた多孔質体と、
前記孔を含む前記多孔質体の表面を覆う水素吸蔵合金とを備え、
前記水素吸蔵合金は、
水素を吸蔵する材料で形成された水素吸蔵ベースと、
該水素吸蔵ベースの表面を覆う触媒層とを有することを特徴とする水素吸蔵ユニット。
【請求項２】
前記多孔質体は、ナノファイバの集合体であることを特徴とする請求項１に記載の水素吸蔵ユニット。
【請求項３】
前記集合体内の個々のナノファイバの向きはランダムであることを特徴とする請求項２に記載の水素吸蔵ユニット。
【請求項４】
前記集合体は、不織布状をなしていることを特徴とする請求項２に記載の水素吸蔵ユニット。
【請求項５】
前記水素吸蔵ベースは、前記多孔質体の前記表面に蒸着によって層状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の水素吸蔵ユニット。
【請求項６】
前記水素吸蔵ベースは、マグネシウムと、マグネシウム・ニッケル合金、又はマグネシウム・チタン合金、又はマグネシウム・ニオブ合金、又はマグネシウム・マンガン合金、又はマグネシウム・コバルト合金との混合物から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の水素吸蔵ユニット。
【請求項７】
前記触媒層は、Ｐｄで形成されていることを特徴とする請求項６に記載の水素吸蔵ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を吸蔵する水素吸蔵ユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車両等の燃料電池に用いる水素として、気体水素が用いられている。水素は、気体の状態では、体積が非常に大きい。このため、気体の水素は、圧縮して用いられている。しかし、それでも実用するには体積が大きく、スペース的な問題点がある。一方、液体水素は、気体水素よりも体積が小さい。しかし、水素を液体の状態で保持することが困難であり、実用化に適していない。したがって、体積が小さく、取扱い性が向上した固体水素を用いることが研究・開発されている。固体水素は、水素を合金内に吸蔵した状態で用いられる。この合金は、水素吸蔵合金と呼ばれている。この水素吸蔵合金に対して水素が吸蔵・放出を繰り返す。【０００３】
このような水素吸蔵合金を用いた水素ガスセンサが、特許文献１に開示されている。特許文献１の水素ガスセンサは、基板の表面にＰｄ−Ａｇ合金層を蒸着法で形成し、その上にさらにＰｄ又はＰｔ薄膜を積層したものである。【０００４】
しかしながら、特許文献１に示される基板は、板状である。水素を吸蔵する合金層は、この基板上に蒸着されるため、合金層と水素との接触面積は、ほぼ基板の表面積と同じである。近年では、より多くの水素を吸蔵することが望まれているため、さらなる水素吸蔵量の増加が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２９６２３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記従来技術を考慮したものであって、水素との接触面積を増やして効率よく大量の水素を吸蔵することができる水素吸蔵ユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するため、請求項１の発明では、水素分子が通過可能な孔を多数備えた多孔質体と、前記孔を含む前記多孔質体の表面を覆う水素吸蔵合金とを備え、前記水素吸蔵合金は、水素を吸蔵する材料で形成された水素吸蔵ベースと、該水素吸蔵ベースの表面を覆う触媒層とを有することを特徴とする水素吸蔵ユニットを提供する。【０００８】
また、請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記多孔質体は、ナノファイバの集合体であることを特徴としている。
また、請求項３の発明では、請求項２の発明において、前記集合体内の個々のナノファイバの向きはランダムであることを特徴としている。【０００９】
請求項４の発明では、請求項２の発明において、前記集合体は、不織布状をなしていることを特徴としている。
請求項５の発明では、請求項１の発明において、前記水素吸蔵ベースは、前記多孔質体の前記表面に蒸着によって層状に形成されていることを特徴としている。【００１０】
請求項６の発明では、請求項１の発明において、前記水素吸蔵ベースは、マグネシウムと、マグネシウム・ニッケル合金、又はマグネシウム・チタン合金、又はマグネシウム・ニオブ合金、又はマグネシウム・マンガン合金、又はマグネシウム・コバルト合金との混合物から形成されていることを特徴としている。
また、請求項７の発明では、請求項６の発明において、前記触媒層は、Ｐｄで形成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１の発明によれば、水素原子が通過可能な孔を多数有する多孔質体の表面を水素吸蔵合金が覆うので、水素吸蔵層の表面積が大きくなり、水素との接触面積が広がる。このため、より迅速な水素吸蔵を実現することができる。【００１２】
請求項２の発明によれば、ナノファイバを集合体としたときに、ファイバー同士が絡み合ってできる隙間が水素通過可能な孔となる。このため、容易に多孔質体を形成することができる。【００１３】
請求項３の発明によれば、特にナノファイバの配置を限定せずに、自然に形成された集合体であっても、孔が形成される。この孔を利用して、迅速な水素吸蔵を行うことができる。【００１４】
請求項４の発明によれば、ナノファイバの集合体が不織布状に形成されている。このため、取扱い性に優れた多孔質体として使用することができる。【００１５】
請求項５の発明によれば、多孔質体に対し、蒸着により層状に水素吸蔵合金を形成するため、製造が容易で、迅速な水素吸蔵を実現することができる。【００１６】
請求項６の発明によれば、Ｍｇが有する水素吸蔵性能の高さと、その他の合金（特にＭｇ２Ｎｉが好ましい）が有する固体拡散性能の高さを兼ね備えた水素吸蔵合金を得ることができる。Ｍｇに吸蔵された水素は、例えばＭｇ２Ｎｉによって他のＭｇ（又はＭｇ２Ｎｉ）に渡される。この水素の移動は、熱や圧力を必要としない。このため、室温・大気圧下で水素を吸蔵することができる。【００１７】
請求項７の発明によれば、水素はＰｄにより分子から原子に解離される（Ｈ２→２Ｈ）。水素は、原子状態で最も迅速にＭｇに吸蔵される。ＰｄはＰｔと異なり、水素原子をプロトン化する能力はない。したがって、Ｐｄを触媒に用いることにより、水素を原子状態にとどめておくことができる。このため、白金触媒を用いるよりも迅速な水素吸蔵を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る水素吸蔵ユニットの概略図である。
【図２】水素吸蔵繊維の縦断面図である。
【図３】図３の水素吸蔵繊維の横断面図である。
【図４】別の水素吸蔵繊維の縦断面図である。
【図５】図５の水素吸蔵繊維の横断面図である。
【図６】本発明に係る水素吸蔵合金の一例を示す概略図である。
【図７】本発明に係る水素吸蔵ユニットを用いて水素を吸蔵したときの時間と圧力の関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は本発明に係る水素吸蔵ユニットの概略図である。
図示したように、本発明に係る水素吸蔵ユニット７は、ナノファイバに水素吸蔵合金１（図２〜図５参照）が蒸着した水素吸蔵繊維８の集合体である。水素吸蔵繊維８が多数交差することにより、隙間９が形成される。個々のナノファイバの向きはランダムでよい。この隙間９の大きさは、水素分子が通過可能な大きさに形成されている。このようなナノファイバに水素吸蔵合金１が蒸着されているので、水素吸蔵ベース２（図２〜図５参照）の表面積が大きくなり、水素との接触面積が広がる。すなわち、隙間９が水素分子を通過させる孔となって、水素吸蔵ユニット７の表面だけではなく、水素吸蔵ユニット７の内側まで入り込んでから水素が吸蔵されるため、より迅速な水素吸蔵を実現することができる。
【００２０】
また、ナノファイバ自体を多孔質なもの、例えば多孔ナノファイバで形成すれば、さらに水素吸蔵ベース２の表面積を大きくすることができ、水素との接触面積を広げ、迅速な水素吸蔵を実現することができる。なお、水素が通過する孔を有する他の多孔質体（例えば不織布）を用いて水素吸蔵ユニットを形成してもよい。ナノファイバを束ねて、不織布状としてもよい。水素吸蔵ユニット７は、水素吸蔵合金１とナノファイバを例えばそれぞれの溶液から同時に反応させて製造してもよいし、それぞれを別に製造して水素吸蔵合金１をスパッタ等により後からナノファイバに蒸着してもよい。
【００２１】
図２は水素吸蔵繊維の縦断面図である。また、図３は図２の水素吸蔵繊維の横断面図である。
図示したように、水素吸蔵繊維８は、ナノファイバ１０と、水素吸蔵ベース（水素吸蔵層）２と、触媒層３で形成されている。より詳しくは、ナノファイバ１０の表面に水素吸蔵合金１が層状に蒸着されて形成されている。このような水素吸蔵繊維８が多数交差して絡み合って集合体となることで、水素吸蔵ユニット７を形成している。ナノファイバ１０の表面が平滑である場合、図のように均一に蒸着される。ナノファイバは、エレクトロスピニング法等を用いて作成することができる。
【００２２】
水素吸蔵ベースに用いられる水素吸蔵材料としては、金属系では、ＦｅＴｉ（水素吸蔵後はＦｅＴｉＨ１．７），ＬａＮｉ５（水素吸蔵後はＬａＮｉ５Ｈ６），ＢａＲｅ（水素吸蔵後はＢａＲｅＨ９），ＭｇＮｉ（水素吸蔵後はＭｇＮｉＨ４），ＭｇＦｅ（水素吸蔵後はＭｇＦｅＨ６），Ｍｇ（水素吸蔵後はＭｇＨ２），Ｍｇ２Ｎｉ（水素吸蔵後はＭｇ２ＮｉＨ４）や、ＧｄＭｇＮｉ４，Ｍｇ０．７ＧｄＮｉ２，Ｍｇ５０Ｃｏ５０，Ｍｇ７０Ａｌ３０，Ｍｇ９Ｔｉ０．５Ｎｉ０．５，ＭｇＰｄ０．０８等がある。
【００２３】
また、非金属系では、ＮａＡｌ（水素吸蔵後はＮａＡｌＨ４），ＫＢ（水素吸蔵後はＫＢＨ４），ＬｉＡｌ（水素吸蔵後はＬｉＡｌＨ４），Ｌｉ（水素吸蔵後はＬｉＨ），ＮａＢ（水素吸蔵後はＮａＢＨ４），ＡＬＢ３（水素吸蔵後はＡＬ（ＢＨ４）３），ＬＩＢ（水素吸蔵後はＬＩＢＨ４）等がある。その他の水素吸蔵材料としては、Ｍｇ３Ｎ２−４Ｌｉ３Ｎ，Ｃ−Ｌｉ２Ｍｇ（ＮＨ）２，Ｍｇ１００−ｘＬｉｘＴｉ１００，Ｔｉ−Ｃｒ−Ｖ系，Ｔｉ−Ｍｏ−Ｖ系，Ｍｇ−Ｓｉ系，Ｍｇ−Ｃｏ系，Ｍｇ−Ｓｍ−Ｎｉ系，Ｍｇ−Ｎｄ−Ｎｉ系，Ｍｇ−Ｐｒ−Ｎｉ系，Ｍｇ−Ｌａ−Ｎｉ系等がある。
触媒層３に用いるものとしては、Ｐｄ（パラジウム）やＰｔ（白金）、Ｎｂ（ニオブ）あるいはＺｒＮｉ（ジルコニア・ニッケル）等がある。
【００２４】
図４は別の水素吸蔵繊維の縦断面図である。また、図５は図４の水素吸蔵繊維の横断面図である。
図示したように、水素吸蔵合金１がナノ合金粒子となった場合、水素を吸蔵する材料からなる水素吸蔵ベース（水素吸蔵コア）２が球状となり、その周りを触媒層３が球状となって覆う。すなわち、水素吸蔵コア２と触媒層３でコロイドを形成している。このようなナノ合金粒子が、ナノファイバ１０の周囲に付着して水素吸蔵繊維８が形成される。
【００２５】
このように、水素吸蔵合金１は、合金１の製法を適宜変更することにより、様々な形態で得られることができる。
【００２６】
図６は本発明に係る水素吸蔵合金の一例を示す概略図である。
図示したように、本発明に係る水素吸蔵合金１は、水素吸蔵ベース２と、触媒層３からなる。水素吸蔵ベース２は、Ｍｇ金属４と、他の合金（図ではＭｇ２Ｎｉ５）とを混合して薄膜化したものである。このＭｇ４とＭｇ２Ｎｉ５の混合割合は、１分子のＭｇ２Ｎｉに対し、０〜１０（０を含まない）分子のＭｇである。より好ましくは、１分子のＭｇ２Ｎｉに対し、４〜８分子のＭｇである。特に、混合後の化学式がＭｇ６Ｎｉであることが好ましい。このようにＭｇ４とＭｇ２Ｎｉ５とを混合することにより、以下の化学反応がおこり、図の矢印で示すように、水素原子Ｈが内側のＭｇ（又はＭｇ２Ｎｉ）に渡され、水素の固体拡散性能が高まる。したがって、迅速な水素吸蔵を実現できる。なお、水素吸蔵ベース２は、アモルファス状態であることが好ましい。また、水素吸蔵ベース２を薄膜化したことも水素吸蔵の迅速化に寄与している。
【００２７】
Ｍｇ＋Ｈ２→ＭｇＨ２
Ｍｇ２Ｎｉ＋４Ｈ２→Ｍｇ２ＮｉＨ４
【００２８】
このように、Ｍｇ４とＭｇ２Ｎｉ５とを混合することにより、Ｍｇ４が有する水素吸蔵性能の高さと、Ｍｇ２Ｎｉ５が有する固体拡散性能の高さを兼ね備えた水素吸蔵合金を得ることができる。この水素の移動には、熱や圧力を必要としない。このため、室温・大気圧下で水素を吸蔵することができる。
【００２９】
触媒層３は、Ｐｄ（パラジウム）で形成されている。触媒層３は、水素吸蔵ベース２の表面全域を覆って形成されている。ただし、一部を覆っていてもよい。Ｐｄを用いることにより、水素は分子から原子に解離される（Ｈ２→２Ｈ）。水素は、原子状態で最も迅速にＭｇに吸蔵される。ＰｄはＰｔと異なり、水素原子をプロトン化する能力はない。したがって、Ｐｄを触媒に用いることにより、水素を原子状態にとどめておくことができる。このため、白金触媒を用いるよりも迅速な水素吸蔵を実現することができる。
【００３０】
このような水素吸蔵合金１を用いて水素を吸蔵すると、気体中の水素６がＰｄ触媒層３に接触して水素原子に解離される。この後、水素原子が水素吸蔵ベース２の表面に存するＭｇ４やＭｇ２Ｎｉ５に吸蔵される。この吸蔵された水素原子は、Ｍｇ２Ｎｉ５の働きにより、内側のＭｇ４やＭｇ２Ｎｉ５に吸蔵されていく。
【００３１】
なお、上述したＭｇ２Ｎｉの代わりに、その他のマグネシウム・ニッケル合金、又はマグネシウム・チタン合金、又はマグネシウム・ニオブ合金、又はマグネシウム・マンガン合金、又はマグネシウム・コバルト合金を用いてもよい。また、触媒層３には、Ｐｄ（パラジウム）の他に、Ｐｔ（白金）、Ｎｂ（ニオブ）あるいはＺｒＮｉ（ジルコニア・ニッケル）等を用いてもよい。
【００３２】
図７は本発明に係る水素吸蔵ユニットを用いて水素を吸蔵したときの時間と圧力の関係を示したグラフである。
グラフに示されるように、真空状態で水素を供給すると、水素吸蔵合金による水素吸蔵が開始されつつ圧力が増加していく。時間Ｔで水素の供給を止めると、水素吸蔵合金による水素吸蔵がさらに進み、圧力が一気に低下している。圧力の低下は、供給された気体水素の圧力の低下を示し、水素が吸蔵されていることを示している。したがって、迅速な水素吸蔵が行われていることが確認できる。
【００３３】
この試験は、水素吸蔵ユニットを収容した四方管の三方にバルブを設置し、一方に圧力計、もう一方に真空ポンプ、他方に水素ボンベを接続した装置を用いて行った。まず、真空ポンプにて四方管内の圧が安定するまで減圧する（約２０Ｐａ）。次に、真空ポンプ側のバルブを閉じて水素側バルブを開く。目標圧まで水素が注入されると、水素ボンベ側バルブを閉じて圧力変化を圧力計にて確認する。今回の試験では、１０７１９０Ｐａが、３２０Ｐａまで減圧された。水素吸蔵合金としては、Ｍｇ６Ｎｉ＋Ｐｄを用い、水素の注入は１００％Ｈ２を６（ｍｌ／ｍｉｎ）で行った。
【符号の説明】
【００３４】
１  水素吸蔵合金
２  水素吸蔵層
３  触媒層
４  Ｍｇ
５  Ｍｇ２Ｎｉ
６  水素
７  水素吸蔵ユニット
８  水素吸蔵繊維
９  隙間
１０  ナノファイバ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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